Đồ án: Tính toán phạm vi bảo vệ chống sét trạm biến áp 110/22kV - SV. Phạm Thị Thu Huyền

Đồ án nghiên cứu tính toán phạm vi bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm biến áp 11022kv, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán toán học.

• Tác giả: Phạm Thị Thu Huyền
• Người hướng dẫn: ThS. Đinh Quốc Trí
• Trường học: Không có thông tin
• Chuyên ngành: Hệ thống điện
• Đề tài: Đồ án tính toán chống sét trạm biến áp 110/22kV
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái Niệm Chung Về Bảo Vệ Chống Sét Trạm Biến Áp 110 22kV

Bảo vệ chống sét là một trong những yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất đối với trạm biến áp 110/22kV. Trạm biến áp được đặt ngoài trời với các thiết bị điện như máy biến áp, tụ bù, và các thiết bị điều khiển, do đó chúng dễ bị tác động bởi dông sét. Hiện tượng dông sét không chỉ gây ra các thiệt hại vật chất mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến tính ổn định của hệ thống điện toàn quốc. Việc thiết kế và tính toán phạm vi bảo vệ chống sét đánh trực tiếp giúp giảm thiểu rủi ro và đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện. Các phương pháp bảo vệ hiện đại bao gồm lắp đặt cột thu sét, dây thu sét, và hệ thống nối đất chuyên dụng để dẫn dòng sét an toàn vào đất.

1.1. Hiện Tượng Dông Sét Và Ảnh Hưởng Đến Hệ Thống Điện

Dông sét là hiện tượng tự nhiên không thể tránh khỏi trong các khu vực có khí hậu nhiệt đới như Việt Nam. Khi sét đánh vào trạm biến áp 110/22kV, dòng điện sét với cường độ lớn (hàng chục đến hàng trăm kA) có thể gây hư hỏng thiết bị, làm cháy cuộn dây máy biến áp, và gây ngắn mạch. Ảnh hưởng chính bao gồm: gián đoạn cung cấp điện, mất điện toàn trạm, và chi phí sửa chữa kinh khủng. Do đó, tính toán chống sét là bước không thể bỏ qua trong thiết kế trạm biến áp.

1.2. Yêu Cầu Kỹ Thuật Cho Hệ Thống Bảo Vệ

Hệ thống bảo vệ chống sét phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn TCVN. Chính yếu: điện trở nối đất phải ≤ 4Ω, phạm vi bảo vệ của cột thu sét phải bao phủ toàn bộ thiết bị quan trọng, và thời gian phản hồi của hệ thống phải nhanh chóng. Các thiết bị bảo vệ phải có khả năng chịu dòng sét lớn mà không bị hư hỏng, đồng thời phải đảm bảo an toàn cho nhân viên làm việc tại trạm.

II. Tính Toán Phạm Vi Bảo Vệ Cột Thu Sét

Phạm vi bảo vệ của cột thu sét là vùng không gian xung quanh cột mà trong đó các vật thể được bảo vệ khỏi sét đánh trực tiếp. Việc tính toán chính xác phạm vi bảo vệ phụ thuộc vào chiều cao cột, khoảng cách giữa các cột, và độ cao của thiết bị cần bảo vệ. Công thức tính toán sử dụng phương pháp hình nón bảo vệ hoặc phương pháp lưới. Đối với trạm biến áp 110/22kV, thường sử dụng nhiều cột thu sét có cùng hoặc khác độ cao để tạo thành mạng bảo vệ toàn diện. Tính toán cần xem xét vị trí thiết bị quan trọng như máy biến áp, tủ điều khiển, và các bộ tụ bù để đảm bảo chúng nằm trong vùng được bảo vệ.

2.1. Công Thức Tính Chiều Cao Cột Thu Sét

Chiều cao cột thu sét được tính dựa trên công thức: h = (a + b) / 2k, trong đó 'a' là chiều cao cột, 'b' là bán kính bảo vệ ngang, và 'k' là hệ số phụ thuộc vào loại bảo vệ. Với trạm biến áp 110/22kV, chiều cao cột thường được thiết kế từ 12 đến 15 mét để có phạm vi bảo vệ rộng. Công thức này đảm bảo rằng vùng bảo vệ hình nón bao phủ toàn bộ thiết bị nhạy cảm trong trạm.

2.2. Phạm Vi Bảo Vệ Của Một Và Nhiều Cột Thu Sét

Phạm vi bảo vệ của một cột được xác định bằng phương pháp hình nón với góc đỉnh 45°. Đối với hai hay nhiều cột thu sét, phạm vi bảo vệ được tính toán bằng cách kết hợp các hình nón riêng lẻ. Khi hai cột có cùng độ cao, vùng bảo vệ giữa chúng được xác định bởi mặt phẳng trung bình. Khi hai cột có độ cao khác nhau, tính toán phức tạp hơn và cần sử dụng các bảng hoặc đồ thị tham chiếu để xác định chính xác vùng bảo vệ.

III. Tính Toán Hệ Thống Nối Đất Cho Trạm Biến Áp

Hệ thống nối đất là yếu tố then chốt trong bảo vệ chống sét vì nó giúp dẫn dòng sét lớn vào đất một cách an toàn. Điện trở nối đất phải đạt yêu cầu: ≤ 4Ω cho nối đất chống sét và ≤ 10Ω cho nối đất bảo vệ. Tính toán nối đất bao gồm các bước: xác định điện trở đất, thiết kế mạch nối đất (vòng, xương cá, hoặc mạng lưới), và kiểm tra điện áp tiếp xúc. Trạm biến áp 110/22kV thường sử dụng mạng nối đất hình vòng hoặc hình chữ nhật bao quanh toàn bộ diện tích trạm. Các thanh nối đất ngang được bố trí dưới các thiết bị chính để đảm bảo dòng sét được phân tán đều.

3.1. Các Yêu Cầu Kỹ Thuật Nối Đất

Điện trở nối đất phải thỏa mãn tiêu chuẩn TCVN và các quy định an toàn điện. Với trạm biến áp 110/22kV, giới hạn tối đa là 4Ω cho nối đất chống sét. Ngoài ra, phải kiểm tra điện áp tiếp xúc và điện áp bước để đảm bảo an toàn cho nhân viên. Mạng nối đất phải được kiểm tra định kỳ hàng năm để phát hiện các điểm oxy hóa hoặc hư hỏng.

3.2. Phương Pháp Tính Toán Và Thiết Kế Mạng Nối Đất

Quá trình tính toán bắt đầu với đo điện trở đất tại vị trí trạm. Nếu điện trở đất quá cao, cần bổ sung các biện pháp như giảm độ sâu đào, tăng chiều dài thanh, hoặc sử dụng chất cải tạo đất. Mạng nối đất hình vòng được thiết kế bao quanh trạm với khoảng cách giữa các giao điểm khoảng 5-10 mét, sử dụng dây đồng có tiết diện ≥ 50mm² để chịu dòng sét.

IV. Bảo Vệ Chống Sóng Truyền Từ Đường Dây Vào Trạm

Sóng quá điện áp từ sét đánh vào đường dây 110kV có thể truyền vào trạm biến áp 110/22kV gây hư hỏng thiết bị cách điện. Khi sét đánh vào đường dây, một sóng điện áp lan truyền dọc theo dây với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Sóng này phản xạ tại các điểm gián đoạn (cuối đường dây, máy biến áp) và có thể gây ra quá điện áp cao gấp 2-3 lần điện áp bình thường. Để bảo vệ, trạm được trang bị van chống sét (arrester) ở hai đầu cuộn sơ cấp và sơ cấp máy biến áp, cũng như các tụ bù và điện trở phi tuyến để hấp thụ năng lượng sóng và hạn chế điện áp.

4.1. Nguyên Lý Truyền Sóng Trên Đường Dây

Sóng truyền trên đường dây theo phương trình sóng cơ bản với vận tốc v = 1/√(LC), trong đó L là độ tự cảm và C là điện dung đơn vị dài. Khi sóng đi tới một điểm gián đoạn, một phần bị phản xạ và phần còn lại truyền qua. Độ lớn điện áp tại mỗi vị trí phụ thuộc vào trở kháng sóng của đường dây (thường 400-500Ω) và điều kiện biên tại đầu.

4.2. Các Thiết Bị Bảo Vệ Chống Sóng Truyền

Van chống sét (arrester) là thiết bị chính để bảo vệ chống sóng quá điện áp. Van này có tiếp xúc phi tuyến: ở điện áp thấp nó cách điện (trở kháng cao), ở điện áp cao nó dẫn điện (trở kháng thấp), từ đó giới hạn điện áp ở mức an toàn. Ngoài ra, tụ bù và điện trở phi tuyến cũng được sử dụng để hấp thụ sóng và bảo vệ thiết bị điểm cuối.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP NHÀ MÁY THÉP CỬU LONG CẤP ĐIỆN ÁP 110/22 KV.1-KHÁI NIỆM CHUNG. Nhà máy thép Cửu Long có hai cấp điện áp là 110 kV và 22kV, hầu hết các thiết bị điện của nhà máy được bố trí đặt trong nhà xưởng, tuy nhiên nguồn điện của nhà máy được cung cấp bởi trạm biến áp 110/22 kV. Các thiết bị điện của trạm được đặt ngoài trời, do đó khi có sét đánh trực tiếp vào trạm sẽ xảy ra những hậu quả nặng nề không những chỉ làm hỏng đến các thiết bị trong trạm mà còn gây nên những hậu quả nghiêm trọng cho nhà máy do bị ngừng cung cấp điện. Do vậy trạm biến áp thường có yêu cầu bảo vệ khá cao.

Hiện nay để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho trạm biến áp người ta dùng hệ thống cột thu lôi, dây thu lôi. Tác dụng cuả hệ thống này là tập trung điện tích để định hướng cho các phóng điện sét tập trung vào đó, tạo ra khu vực an toàn bên dưới hệ thống này. Hệ thống thu sét phải gồm các dây tiếp địa để dẫn dòng sét từ kim thu sét vào hệ nối đất. Để nâng cao tác dụng của hệ thống này thì trị số điện trở nối đất của bộ phận thu sét phải nhỏ để tản dòng điện một cách nhanh nhất, đảm bảo sao cho khi có dòng điện sét đi qua thì điện áp trên bộ phận thu sét sẽ không đủ lớn để gây phóng điện ngược đến các thiết bị khác gần đó.

Ngoài ra khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp vào trạm ta cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu kinh tế sao cho hợp lý và đảm bảo về yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật.2- CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT KHI TÍNH TOÁN BẢO VỆ CHỐNG SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TRẠM BIẾN ÁP. Tất cả các thiết bị cần bảo vệ phải được nằm trọn trong phạm vi bảo vệ an toàn của hệ thống bảo vệ. Hệ thống bảo vệ trạm 110/22kV ở đây ta dùng hệ PHẠM THỊ THU HUYỀN LỚP: HTĐ4-K49 thống cột thu lôi, hệ thống này có thể được đặt ngay trên bản thân công trình hoặc đặt độc lập tùy thuộc vào các yêu cầu cụ thể. Đặt hệ thống thu sét trên bản thân công trình sẽ tận dụng được độ cao của phạm vi bảo vệ và sẽ giảm được độ cao của cột thu lôi.

Nhưng mức cách điện của trạm phải đảm bảo an toàn phóng điện ngược từ hệ thống thu sét sang thiết bị. Vì đặt kim thu sét trên các thanh xà của trạm thì khi có phóng điện sét, dòng điện sét sẽ gây nên một điện áp giáng trên điện trở nối đất và trên một phần điện cảm của cột, phần điện áp này khá lớn và có thể gây phóng điện ngược từ hệ thống thu sét đến các phần tử mang điện trong trạm khi mà mức cách điện không đủ lớn. Do đó điều kiện để đặt cột thu lôi trên hệ thống các thanh xà của trạm là mức cách điện cao và trị số điện trở tản của bộ phận nối đất nhỏ. Đối với trạm phân phối có điện áp từ 110kV trở lên có mức cách điện khá cao (cụ thể khoảng cách giữa các thiết bị đủ lớn và độ dài chuỗi sứ lớn) do đó có thể đặt các cột thu lôi trên các kết cấu của trạm và các kết cấu trên đó có đặt cột thu lôi thì phải nối đất vào hệ thống nối đất của trạm theo đường ngắn nhất sao cho dòng điện sét khuyếch tán vào đất theo 3 đến 4 thanh nối đất, mặt khác mỗi trụ phải có nối đất bổ sung để cải thiện trị số điện trở nối đất.

Khâu yếu nhất trong trạm phân phối ngoài trời điện áp từ 110kV trở lên là cuộn dây máy biến áp vì vậy khi dùng cột thu lôi để bảo vệ máy biến áp thì yêu cầu khoảng cách giữa điểm nối vào hệ thống của cột thu lôi và điểm nối vào hệ thống nối đất của vỏ máy biến áp là phải lớn hơn 15m theo đường điện. Khi bố trí cột thu sét trên xà của trạm phân phối ngoài trời 110 kV trở lên cần chú ý nối đất bổ sung ở chỗ nối các kết cấu trên có đặt cột thu sét vào hệ thống nối đất nhằm đảm bảo điện trở khuyếch tán không quá 4. Khi dùng cột thu sét độc lập phải chú ý đến khoảng cách giữa cột thu sét, đến các bộ phận của trạm để tránh khả năng phóng điện từ cột thu sét đến vật được bảo vệ. Việc lắp đặt các cột thu sét làm tăng xác suất sét đánh vào diện tích công trình cần bảo vệ, do đó cần chọn vị trí lắp đặt các cột thu sét một cách hợp lí.

Tiết diện các dây dẫn dòng điện sét phải đủ lớn để đảm bảo tính ổn định nhiệt khi có dòng điện sét chạy qua. PHẠM THỊ THU HUYỀN LỚP: HTĐ4-K49 Khi sử dụng cột đèn chiếu sáng làm giá đỡ cho cột thu lôi thì các dây dẫn điện phải được cho vào ống chì và chôn trong đất.3- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CÁC PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ CỘT THU LÔI. Với yêu cầu thiết kế hệ thống chống sét cho trạm 110kV và dựa vào độ cao của các thiết bị ta có thể bố trí được các cột thu lôi và tính được độ cao của chúng. Công thức tính chiều cao của cột thu lôi.

h = hx + ha (1 – 1) Trong đó :. h-Là chiều cao cột thu lôi. hx-Là độ cao cần được bảo vệ. ha-Là độ cao tác dụng của cột thu lôi.

ha:Xác định theo nhóm cột với điều kiện là ha  D/8. D-Là đường kính đường tròn ngoại tiếp đa giác tạo bởi các cột. Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập Phạm vi bảo vệ của một cột thu lôi độc lập là miền giới hạn bởi mặt ngoài của hình chóp tròn xoay có đường sinh xác định bởi phương trình : 1,6 h  hx  rx = hx (1 – 2) 1 h Trong đó : rx-Là phạm vi bảo vệ ở mức cao hx của cột thu lôi. PHẠM THỊ THU HUYỀN LỚP: HTĐ4-K49 a 0,2h b 0,8h h c 0,75h 1,5h Rx Hình 1.1: Phạm vị bảo vệ của một cột thu lôi Để dễ dàng thuận tiện trong việc tính toán thiết kế thường dùng phạm vi bảo vệ dạng đơn giản hoá.

Được tính toán theo công thức : 2 hx  h rx 1,5.(1  ) - Nếu hx 3 thì 0,8.(1  x ) (1 – 4) 3 h * Các công thức trên chỉ đúng với những cột thu lôi cao dưới 30 m. Hiệu quả của cột thu lôi hơn 30 m sẽ giảm do độ cao định hướng của sét là hằng số. Khi cột có chiều cao trên 30m thì ta vẫn dùng công thức trên nhưng phải nhân 5,5 thêm với hệ số hiệu chỉnh p = h Và trên hình vẽ ta sử dụng các hoành độ 0,75. Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi Phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột thu lôi thì lớn hơn nhiều so với tổng số phạm vi bảo vệ của hai hay nhiều cột đơn.

Nhưng để hai cột thu lôi có thể phối hợp bảo vệ được khoảng giữa chúng thì khoảng cách a giữa hai cột phải thoả mãn điều kiện a 7.h a) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có cùng độ cao. PHẠM THỊ THU HUYỀN LỚP: HTĐ4-K49 Khi hai cột thu lôi có cùng độ cao h đặt cách nhau một khoảnh a(a 7.h) thì độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi là h0được xác định: a h0 = h - (1 – 5) 7 Phần bên ngoài khoảng cách giữa hai cột có phạm vi bảo vệ giống như của một cột. Phần bên trong được giới hạn bởi vòng cung đi qua 3 điểm: 2 đỉnh cột và điểm có độ cao h0. Khoảng cách nhỏ nhất từ biên của phạm vi bảo vệ tới đường nối hai chân cột là r0x được tính như sau : 2 hx - Nếu hx  h0 thì r0x = 1,5.h0 2 hx - Nếu hx  h0 thì r0x = 0,75.

h0-Là độ cao lớn nhất của khu vực bảo vệ giữa hai cột thu lôi. r0x-Là bán kính phạm vi bảo vệ tại khoảng giữa hai cột thu lôi Khi độ cao của cột thu lôi lớn hơn 30 m thì ta cũng phải thêm hệ số hiệu chỉnh p như mục 1.2 và tính h0 theo công thức: a 5,5 h0 = h - ; p= 7.p h PHẠM THỊ THU HUYỀN LỚP: HTĐ4-K49 R 1 2 h hx h0 0,75h a 1,5h rox rx Hình 1.2: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có chiều cao bằng nhau. b) Phạm vi bảo vệ của hai cột thu lôi có độ cao khác nhau. Giả sử có hai cột thu lôi : Cột 1 có độ cao h1 Cột 2 có độ cao h2 Khoảng cách giữa hai cột là a và h1 > h2 Trước tiên ta vẽ phạm vi bảo vệ của cột cao h1 sau đó từ đỉnh của cột thấp h2 gióng đường thẳng ngang sang cột h1.

Cắt đường sinh của phạm vi bảo vệ của cột 1 tại điểm 3 Điểm này được coi là đỉnh của cột thu lôi giả định (cột 3). Cột thu lôi giả định này có cùng độ cao với cột 2 và hình thành đôi cột có chiều cao bằng nhau, cách nhau một khoảng a, 1 0,2h1 2 3 0,2h2 h1 0,8h1 h2 0,8h2 ho 0,75h2 a' x 0,75h1 1,5h2 a 1,5h1 PHẠM THỊ THU HUYỀN LỚP: HTĐ4-K49 Hình 1.3: Phạm vi bảo vệ của hai cột thu sét có độ cao khác nhau. Dễ dàng nhận thấy khoảng cách x từ h1 (cột 1) đến cột giả tưởng (cột 3) chính là bán kính bảo vệ của cột cao h1 đối với chiều cao cần bảo vệ bằng h2 1,6 x (h  h 2 ) Do đó tính khoảng cách x theo : h2 1 (1 – 8) 1 h1 1,6  (h  h2 ) Từ đó ta tính được a’ = a – x = a h2 1 (1 – 9) 1 h1 1,6 1  (h1  h2 ) và h0 = h2 - a’/7 = h2  [ a 1  h2 ] (1 -10) 7 h1 Từ đó ta tính được bán kính bảo vệ r0x  hx  Nếu hx 2 / 3h0  r0x 1,5.h0  1  x  (1 -12)  h0  c) Phạm vi bảo vệ của nhiều cột thu sét Khi công trình cần được bảo vệ chiếm một khu vực rộng lớn nếu chỉ dùng một vài cột thì cột phải rất cao gây nhiều khó khăn cho việc thi công và lắp ráp. Trong trường hợp này ta dùng phối hợp nhiều cột với nhau để bảo vệ.